壳聚糖_氧化石墨烯复合材料的制备及其对安息香酸的载释性能研究.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()河南省科技厅科技攻关项目()吉林烟草工业有限责任公司科技项目()作者简介:杨顺贺()女黑龙江牡丹江人在读硕士研究生师从刘鹏飞副教授主要从事烟草化学与香精香料的研究 电话:.通信作者:刘鹏飞()男河南安阳人副教授博士从事烟草化学、烟草香料与保润的研究 :.壳聚糖/氧化石墨烯复合材料的制备及其对安息香酸的载释性能研究杨顺贺任昭辉王帅杨紫姗刘鹏飞王小莉(.河南农业大学 烟草学院河南 郑州.吉林烟草工业有限公司 技术中心吉林 延吉.河南牧业经济学院 动物医药学院河南 郑州)摘 要:用改良的 法制备氧化石墨烯()采用溶液共混法通过非共价修饰制备了壳聚糖/氧化石墨烯(/)复合材料对安息香酸()进行载释提高安息香酸()的水溶性和生物可利用度 结果表明和/分散液放置 后仍均一稳定没有沉淀或分层现象 相比/的横向尺寸明显减小对 的负载量()从 /提高到 /包封率()从.提高到.体外释放实验表明/的释放行为具有 响应性在酸性()条件下 内的累计释放量为.在中性和碱性(和 )条件下累计释放量分别为.和.的体外释放更符合一级动力学方程关键词:安息香酸负载缓释氧化石墨烯壳聚糖中图分类号:.文献标识码:文章编号:()/(.):().(/)././()/()./.().()./.:为芳香酸类有机化合物在工业、食品、烟草及医药领域应用广泛 但 溶解性差、有第 期杨顺贺等:壳聚糖/氧化石墨烯复合材料的制备及其对安息香酸的载释性能研究挥发性在应用过程中存在突释问题导致其利用度不高 比表面积大含氧官能团丰富可修饰性强 其碳骨架可提供 结合位点含氧官能团提供氢键结合位点可与含苯环和含氧官能团的物质形成 共轭和氢键已成为一种理想载体但 的细胞毒性会使细胞内活性氧过度积累引起肺部炎症和肉芽肿 是一种天然多糖具有生物相容性和较高的吸附性能 弱酸性条件下 表面的氨基质子化静电斥力使其自身溶胀广泛用于纳米载体的功能化以降低毒性和提高负载效率因此在控释领域应用前景良好/已广泛应用于药物输送、农业、抗菌、环保等领域 但前人研究的多是用于负载药物、吸附重金属离子等对 的负载研究鲜有报道 本文将/用于对 的负载通过体外模拟释放实验研究 /的缓释性能 实验部分.材料与仪器石墨粉(纯度.)工业级硝酸钠、浓硫酸、高锰酸钾、过氧化氢、邻苯二甲酸氢钾、四硼酸钠、壳聚糖()、安息香酸()均为分析纯/型冷冻干燥机 高速离心机 型紫外可见分光光度计 超声波清洗机 双数显恒温磁力搅拌器 分析天平 傅里叶变换红外光谱仪 纳米粒度及电位分析仪 原子力显微镜透析袋()./的制备.的制备 采用改进的 法制备 称取.石墨粉缓慢加入到 浓硫酸中再缓慢加入.硝酸钾冷却条件下搅拌 在冰水浴条件下加入.高锰酸钾(内加完)继续搅拌 转移至恒温磁力搅拌器在 下搅拌 沿烧杯壁加入 去离子水升至高温再搅拌 取出烧杯缓慢加入 的温水 边搅拌边降温 最后加入.()待反应液渐渐变为亮黄色静置过夜 洗涤后冷冻干燥得到./的制备 取适量 加入去离子水超声分散均匀得到/的 分散液 称取适量 溶于 的冰乙酸磁力搅拌 使其充分溶解得到 /的壳聚糖醋酸溶液 磁力搅拌下将壳聚糖醋酸溶液缓慢加入到等量的 分散液 中 超 声 处 理 室 温 下 搅 拌 /离心取沉淀用稀醋酸洗数次除去多余的 将/溶液放入透析袋(截留分子量 )中用大量去离子水透析 除去多余杂 质 离 子 透 析 后 的 溶 液 冷 冻 干 燥 得 到/.样品表征.测试称取一定质量的样品和溴化钾粉末混合研磨均匀后压片通过傅里叶变换红外光谱仪分析官能团变化情况 测试分辨率 扫描次数 次.电位测试 电位仪测定 和/在去离子水中的分散液电位将 和/粉末分散在去离子水中水浴超声处理 后放入样品槽检测.测试采用原子力显微镜比较 和/的横向尺寸和厚度将超声好的样品溶液滴在新鲜的云母片表面氮气吹干后进行测试采用轻敲模式硅探针共振频率.扫描频率.稳定性测试 和/粉末用水超声分散后观察水溶性和分散性.实验方法./复合材料对 的负载实验配制浓度分别为 /的 标准品溶液检测 处的紫外吸光度绘制 浓度吸光度标准曲线 固定 的浓度不变配制不同浓度的、/分散液找到、/负载的最佳浓度为 /用最佳浓度的、/分别与不同浓度的 溶液相结合绘制、/负载 结合曲线找到 饱和吸附浓度 按照此浓度比进行负载实验以 /离心 取上清液测定吸光度 根据已有的标准曲线读出上清液中 的浓度按照公式()和公式()计算 和 离心后的沉淀物加入少许蒸馏水后冷冻干燥得到/保存好进一步进行表征()()应用化工第 卷()()式中 负载量/包封率 安息香酸溶液的初始浓度/安息香酸溶液的初始体积 上清液中安息香酸的浓度/上清液体积 的质量./的释放实验取 /和 分散于 乙醇水混合溶液(/)中溶液倒入透析袋密封放入装有 的乙醇水混合溶液(/)中于室温下透析 分别于第 抽取.透析液通过紫外可见分光光度计测定透析液中 浓度得到/和 的缓释曲线对于不同 下的释放将制备的负载 的壳聚糖氧化石墨烯(/)样品干燥取 /溶于 去离子水中放入透析袋(分子量 )中在 为 的缓冲溶液中释放定时取样用分光光度计测定透析液中 的浓度得到 在不同 下的缓释曲线./的释放动力学分析对于缓释制剂常采用一级动力学方程()和 动力学方程()对制剂的体外释放数据进行拟合 使用 .软件绘图探索释放规律(/)可变换为:()()/()其中为 时的释放量为 时的释放量 为释放速率常数 结果与讨论./复合材料的结构和形貌分析.红外光谱()分析 图 为、/复合材料、和 /的 图谱 由图 可知 光谱揭示了含氧官能团的存在 分 别 对 应()、的伸缩振动 为 的 伸 缩 振 动 在 和 分别对应酰胺的 伸缩振动和、的伸缩振动 对应于 的伸缩振动 是 的特征吸收峰/复合材料中 为 和 键的伸缩振动 为 键的伸缩振动 和 分别对应 中 和 键的伸缩振动/的红外光谱显示了 和 的特征峰表明他们之间存在相互作用/成功制备 由图 光谱可知 为羧酸的 的伸缩振动 为()的伸缩振动 为 伸缩的特征吸收峰 为单取代苯 变形振动的特征吸收峰/复合材料和 的特征吸收峰都出现在 /的光谱中表明 /成功制备图 、/()和/()的 图谱./()/().电位分析 和/的 电位见图 图 和/的 电位./第 期杨顺贺等:壳聚糖/氧化石墨烯复合材料的制备及其对安息香酸的载释性能研究 由图 可知 的 电位为 在阳离子 功能化后/的 电位为 这是因为 氧 化 石 墨 烯 的 表 面 含 有 很 多、等带负电荷的基团故其 电位为负值 当 接枝了带有正电荷的 的壳聚糖后/的电位为正值 电位的变化进一步表明/成功制备.原子力显微镜()分析 和/的原子力显微镜图像和高度剖面见图 图 (、)和(、)的原子力显微镜图像和相应的高度剖面.()()、.显微镜图像、.高度剖面 由图 可知 的横向尺寸在数百纳米范围内()而/的横向尺寸明显减小()这是由于制备过程中超声步骤引起的 从高度剖面图可知()的厚度为 .而单层石墨烯的理论厚度为.约为 个石墨烯片层厚度/()厚度显著增加至 .在用 或 功能化 的研究中厚度也观察到类似的改变 表明 成功功能化到 表面形成多层/纳米复合载体./复合材料的稳定性分析图 为不同浓度的 和/的水分散液 图 为./和./的 粉末超声分散在超纯水中图 为./和./的/粉末超声分散在超纯水中 和 分别为 和 在 下放置 后的图片 由图 可知溶液均呈现均一稳定的状态没有沉淀或分层现象表明所制备的 和/分散性良好壳聚糖可以均匀地分散在氧化石墨烯中在 下放置 后 和/的状态没有发生明显变化依旧均一稳定表明 和/可以形成长期稳定的悬浮液图 不同浓度的 和/的水分散液图(和 为 和 为 )./()、.、./应用化工第 卷./复合材料对 的负载性能研究.和/浓度对负载量的影响为了测定不同载体材料浓度对 的负载量保持 的浓度为 /其他外部条件保持一致分别配制 /的 和/分散液 依据 的标准曲线和.节中的实验步骤和公式计算 和/负载 的 和结果见图 图 不同浓度 和/对 的负载量曲线./由图 可知随着载体材料浓度从 /增加到 /对 负载量从 /增加到 /对 负载量从 /增加到 /随着载体材料浓度进一步增加至 /和/对 的负载量增加的程度逐渐变缓这可能是因为负载物高浓度聚集时会导致吸附的有效面积减少 因此本研究选择/的 和/负载.初始浓度对负载量的影响将浓度 /的 溶液分别与 /的 和/分散液混合研究 浓度对负载量的影响结果见图 图 、/对不同初始浓度的 的负载量./由图 可知将 的浓度从 /提高到 /的负载量分别从 /提高到 /最后保持在 /的负载量分别从/提高到 /最后保持在/可知 浓度较低时随着浓度升高负载量显著提高这是由于载体材料表面有大量的活性位点可供 结合 随着 浓度进一步增加载体材料表面的活性位点逐渐被 占据而总的表面位点是有限的 和/的吸附位点已经达到饱和不能继续和 形成 共轭和氢键作用 所以当 浓度 /后负载量随 浓度增加而逐渐变缓 因此当 和/浓 度 为 /时 的 浓 度 为 /的吸附量即为饱和吸附量按照此浓度比制备 /冻干后保存备用.初始浓度对包封率的影响图 为、/对不同初始浓度的 的包封率柱状图图 、/对不同初始浓度的 的包封率./由图 可知随着 浓度的增加包封率总体呈现先增加后降低的趋势/对 的包封率最高达.对 的包封率最高为./对 的包封率一直高于 因此选择/进行释放研究./复合材料对 的释放研究 和 /在水(.)中的释放行为见图 第 期杨顺贺等:壳聚糖/氧化石墨烯复合材料的制备及其对安息香酸的载释性能研究图 纯 和 /在水(.)中的累计释放率()及 /在不同 下的累计释放率()./(.)()/()由图 可知 具有突释行为以很快的速率释放到溶液介质中 累计释放率达 而/纳米制剂在水溶液中 的累计释放率为.的累计释放率为.的累计释放率为.可在 之内持续释放由图 可知/在不同 环境下的释放曲线趋势具有一致性 释放速率较快 之后释放速率变缓 之后释放曲线趋于平缓基本到达平衡状态 在 时 累计释放率分别为.和.相比较而言/在酸性条件下释放能力强于中性和碱性条件这是由于在弱酸性条件下/表面的氨基质子化正电荷数量增加强大的静电斥力导致 表面的 溶胀而使 分子链打开促进 释放./的释放动力学分析采用一级动力学方程和 动力学方程对/在不用 下的释放数据进行拟合结果见表 和图 表 /体外释放的拟合结果 /一级方程 方程方程式方程式.(.)./.(.)./.(.)./.由表 可知一级动力学方程的相关性系数()分别为.更接近于 说明 /的体外释放更符合一级动力学方程释放速率常数为.一级方程非线性拟合曲线.方程非线性拟合曲线图 /的释放动力学./结论()采用改进的 法制备了 并用 响应性材料 对其改性制备出/复合材料壳聚糖可以均匀地分散在氧化石墨烯中该复合材料具有良好的水溶性形成长期稳定的悬浮液()负载实验表明 通过 共轭和氢键作用负载到复合材料上 和/负载 的最佳浓度为 /的饱和吸附浓度为 /在此条件下 对 的 和 分别为 /和./对 的 和 分别为 /和.与 相比用 修饰的 负载安息香酸的 和 都有显著提高可能是因为/有更大的比表面积因为尺寸的减小总是导致比表面积的增加()通过体外模拟释放实验评估了 /的缓释性能 在 内完全释放而/缓释性能良好可在 内持续释放释放过程符合释放规律前期释放速率较快之后释放变缓最后达到平衡状态 且 /的释放具有 响应性在 时 的累计释放量分别为.和.在酸性条件下/表面的氨基质子化静电斥力使 表面的 溶胀且 与 之间的静电吸附作用减弱所以释放效果最好 /纳米制剂不同 下的 的体外释放更符合一级动力学方程应用化工第 卷参考文献:王大全.精细化工辞典.北京:化学工业出版社:.谢剑平.烟草香原料.北京:化学工业出版社:.王有才潘鹤林赵志翔等.臭氧催化甲苯制苯甲酸的研究.应用化工():.黄文涛邓呈逊吉宇尘等.壳聚糖功能化磁性氧化石墨烯复合材料的制备及对甲基橙的吸附.复合材料学报():.龙吟.氧化石墨烯的药物负载与释放规律研究.长沙:国防科学技术大学:.():.():.景占鑫张琼珊黄海等.基于壳聚糖的多孔吸附剂的制备及其吸附性能研究.应用化工():.:.曾春芽单慧媚赵超然等.纳米铁氧化石墨烯/壳聚糖复合材料的制备及其力学性能.复合材料学报():.董泽樟叶建州薛舒心等.壳聚糖纤维对芦荟大黄素吸附及其抑藻机理研究.环境科学学报():.王玉丽.多功能氧化石墨烯基的智能控释纳米农药制剂的制备及其性能研究.南京:南京师范大学:.:.:./.():.张中勋刘霞刘杨等.氧化石墨烯修饰壳聚糖药物载体的构建.高分子材料科学与工程():.赵玉.氧化石墨烯/多糖微胶囊及其缓控释抗菌纺织品应用研究.天津:天津工业大学:.苏军贾瑛马琴等./复合吸收剂吸收处理高浓度偏二甲肼废液研究.应用化工():.何帅梁靖媚胡慧兰等.氧化石墨烯/壳聚糖层层自组装复合膜的制备及其在环保领域中的应用.材料导报():.():.谢谭芳朱小勇黄天衍.壳聚糖氧化石墨烯负载冬凌草甲素对 细胞增殖及凋亡的影响.中国药房():.张雅静.石墨烯纳米载药体系的制备和抗肿瘤效应研究.长春:长春理工大学:.().():./.:.():.().():.何熠.氧化石墨烯装载抗癌药的结构设计与释药性能调控.南京:东南大学:.:.